水田旋耕機(jī)平地系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

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1、水田旋耕機(jī)平地系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 水田旋耕機(jī)平地系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 2016/07/07 《華中農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)》2016年第四期 摘要 針對(duì)現(xiàn)有水田旋耕機(jī)在耕作時(shí)機(jī)械的傾斜和振動(dòng)會(huì)導(dǎo)致耕整后的地表平整精度低、可控性差等問題，基于傾角傳感控制技術(shù)設(shè)計(jì)一套與水田旋耕機(jī)相匹配的平地系統(tǒng)，通過液壓控制和控制器控制相結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)平地系統(tǒng)的水平調(diào)節(jié)功能。田間試驗(yàn)結(jié)果表明：基于傾角傳感技術(shù)，具有自動(dòng)調(diào)節(jié)水平功能的水田旋耕機(jī)平地系統(tǒng)耕整平地性能穩(wěn)定可靠。耕整后的平整

2、度為２．２０ｃｍ，高差分布為８１．８２％，相比水田旋耕機(jī)，平整度改善３４．３％，高差分布提高１９．４％，且能滿足水稻種植的農(nóng)藝要求。 關(guān)鍵詞 水田旋耕機(jī)械；傾角傳感器；液壓控制；控制器；水平調(diào)節(jié) 在水稻的機(jī)械化生產(chǎn)中，耕整平地是一個(gè)重要環(huán)節(jié)［１］。耕整平地質(zhì)量的好壞直接影響到水稻播種的效果、灌溉用水量以及水稻生產(chǎn)的其他后續(xù)環(huán)節(jié)的作業(yè)［２－６］。目前，國內(nèi)的平地機(jī)械有傳統(tǒng)平地和激光平地２種。傳統(tǒng)的平地機(jī)具采用仿形平地原理，平整精度主要靠平地工作人員目測(cè)確定，難以達(dá)到農(nóng)藝要求［７－９］。李明金［１０］設(shè)計(jì)的水田打漿平地機(jī)采用上、下刮板組合成平地托板形

3、式，能有效提高水田的平地作業(yè)。余水生［１１］設(shè)計(jì)的水田高茬秸稈還田耕整機(jī)的平地裝置采用彈簧支撐桿連接平地板，通過彈簧壓力的作用完成平地作業(yè)，提高了秸稈還田后的田間平整度。陳鑫［１２］研究的與１１．０ｋＷ拖拉機(jī)配套的小型水田耕耙平地機(jī)，利用耕耙原理設(shè)計(jì)的組合式平地機(jī)具，能有效完成小田塊平地作業(yè)。這些傳統(tǒng)平地機(jī)具，在耕作時(shí)無法根據(jù)田間復(fù)雜的地形狀況，對(duì)機(jī)具進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，平整精度有限。激光平地技術(shù)是利用激光設(shè)備構(gòu)建的一套精確的調(diào)平系統(tǒng)，在國外已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用［１３］。我國也研制出了不少激光平地設(shè)備，主要有１ＰＪ型、１ＰＪＹ型、ＪＰＧ型、ＰＡＣ３型等幾種型號(hào)。胡煉等［１４］設(shè)計(jì)了三點(diǎn)懸掛式１ＰＪ－４

4、．０型水田激光平地機(jī)，對(duì)水田激光平地機(jī)的高程運(yùn)動(dòng)和水平運(yùn)動(dòng)性能進(jìn)行了測(cè)試研究，通過調(diào)節(jié)平地鏟對(duì)偏差信號(hào)的響應(yīng)速度，能顯著改善田面平整精度。蘇焱等［１５］設(shè)計(jì)的ＪＧＰ－２５００型激光平地機(jī)，采用液控伺服閥接收偏差電信號(hào)，提高液壓系統(tǒng)對(duì)平地鏟控制的穩(wěn)定性，試驗(yàn)表明能有效提高田面平整精度。嚴(yán)乙桉等［１６］設(shè)計(jì)的基于３６．８ｋＷ輪式拖拉機(jī)的水田激光平地機(jī)，實(shí)現(xiàn)了水田激光平地機(jī)與大馬力拖拉機(jī)的配套使用，通過液壓系統(tǒng)與高程調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)對(duì)平地鏟的狀態(tài)進(jìn)行控制調(diào)節(jié)，試驗(yàn)結(jié)果能達(dá)到水田平整要求。韓豹［１７］設(shè)計(jì)的１ＰＪＹ－３．０型綜合激光平地機(jī)可用于水田平整，采用圓盤耙組與平地鏟相結(jié)合的方式，在激光調(diào)節(jié)系統(tǒng)的控

5、制下完成平地作業(yè)，試驗(yàn)表明平地精度能達(dá)到農(nóng)藝要求，且灌溉節(jié)水３０％～４５％。這些激光平地機(jī)以激光確定的基準(zhǔn)平面對(duì)平地裝置進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，耕整平地性能穩(wěn)定，平地精度高［１８－２１］。以上研究表明，傳統(tǒng)平地機(jī)械和激光平地機(jī)械都能提高田地耕整后的平整精度，傳統(tǒng)平地機(jī)械造價(jià)便宜，生產(chǎn)方便，但平整精度有限；而激光平整精度雖然高，但是激光平地機(jī)械配套設(shè)備多且造價(jià)昂貴，不宜推廣使用。在傳統(tǒng)旋耕機(jī)上采用傳感技術(shù)的平地系統(tǒng)的應(yīng)用鮮有報(bào)道。本試驗(yàn)以１ＧＭＤ－２００型水田旋耕機(jī)為母機(jī)，設(shè)計(jì)一種基于ＡＤＸＬ３４５傾角傳感技術(shù)控制、調(diào)節(jié)的平地系統(tǒng)，該平地系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)機(jī)電液一體化控制，并開展田間試驗(yàn)，為提高水田耕整作業(yè)的效率

6、、改善耕整后的田面平整精度以及降低平地機(jī)具的生產(chǎn)成本提供參考。 一、總體結(jié)構(gòu)和工作過程 水田旋耕機(jī)平地系統(tǒng)主要由旋耕機(jī)、平地裝置、液壓系統(tǒng)、控制器控制系統(tǒng)等組成（圖１）。平地裝置通過平行四連桿機(jī)構(gòu)與水田旋耕機(jī)相連，其軸測(cè)圖見圖２。其中，平地板在２個(gè)液壓缸的驅(qū)動(dòng)下，分別能繞著ｘ軸、ｙ軸旋轉(zhuǎn)。在控制器控制系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)的聯(lián)合控制下，減小平地板的傾斜程度，實(shí)現(xiàn)平地裝置在水平面內(nèi)的水平調(diào)節(jié)。該平地系統(tǒng)由拖拉機(jī)動(dòng)力輸出軸通過萬向聯(lián)軸器將動(dòng)力傳送至旋耕機(jī)。在田間作業(yè)時(shí)，由于田間硬底層不平、機(jī)械振動(dòng)過大等因素，使得平地板相對(duì)于水平面發(fā)生傾斜。平地板的傾斜狀態(tài)由控制系統(tǒng)中的傾角

7、傳感器采集，并以數(shù)字信號(hào)的形式傳輸給控制器，由控制器對(duì)數(shù)字信號(hào)運(yùn)算處理后，將輸出的電信號(hào)傳遞給液壓系統(tǒng)中的電磁閥，通過電磁閥的啟閉來調(diào)節(jié)與平地板相連的液壓缸，使得平地板在液壓缸控制下，實(shí)現(xiàn)在水平面內(nèi)的調(diào)節(jié)，從而保證機(jī)具在田間作業(yè)時(shí)，平地板始終保持在水平位置，整個(gè)平地過程實(shí)現(xiàn)了機(jī)電液一體化控制。 二、液壓控制系統(tǒng) ２．１　液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)和工作過程 該液壓控制系統(tǒng)主要由液壓缸、單向節(jié)流閥、三位四通電磁換向閥、液壓泵、溢流閥、濾油器、油箱等組成。因此，為了保證液壓泵的正常工作，采用１２的鏈傳動(dòng)將旋耕機(jī)動(dòng)力輸入軸上的一部分動(dòng)力傳送給液壓泵。該液壓系統(tǒng)工作

8、時(shí)，當(dāng)三位四通電磁閥左端通電，齒輪泵出口的液壓油流入液壓缸左腔，液壓缸右腔的液壓油流回油箱，液壓缸推桿伸出，平地板受到液壓缸的推力作用；當(dāng)三位四通電磁閥右端通電，齒輪泵出口的液壓油流入液壓缸右腔，左腔液壓油流回油箱，液壓缸推桿縮回，平地板受到液壓缸的拉力；當(dāng)三位四通電磁閥兩端都斷電時(shí)，系統(tǒng)保壓，液壓缸停止對(duì)平地板的調(diào)節(jié)；當(dāng)系統(tǒng)壓力超過規(guī)定壓力時(shí)，溢流閥打開，系統(tǒng)壓力下降，保護(hù)液壓系統(tǒng)的壓力不超過額定壓力。表１描述了圖３中液壓系統(tǒng)的電磁鐵通斷對(duì)液壓缸的控制，實(shí)現(xiàn)平地板在９種狀態(tài)下的相應(yīng)調(diào)節(jié)。 ２．２　液壓缸運(yùn)動(dòng)速度分析及調(diào)節(jié) 針對(duì)在液壓缸對(duì)平地板進(jìn)行調(diào)節(jié)時(shí)，會(huì)使平

9、地系統(tǒng)在對(duì)平地板的控制出現(xiàn)波動(dòng)大、不穩(wěn)定、超調(diào)等現(xiàn)象。對(duì)該系統(tǒng)中液壓缸運(yùn)動(dòng)的速度進(jìn)行了分析。在液壓系統(tǒng)工作穩(wěn)定時(shí)，忽略液壓缸進(jìn)出油口的壓力變化，根據(jù)式（１）和（２）分析可得，流入（流出）換向閥的流量Ｑ與液壓缸的伸縮位移量ｓ近似成正比，單位時(shí)間液壓缸的位移量即液壓缸的運(yùn)動(dòng)速度ｖ與流入液壓缸的流量ｑ成正比，而液壓缸伸縮的快慢又影響對(duì)傾角調(diào)節(jié)的穩(wěn)定性。因此，在液壓系統(tǒng)中，將節(jié)流閥安裝在換向閥的進(jìn)油端，能降低液壓系統(tǒng)流入液壓缸的流量，降低了調(diào)節(jié)過程中液壓缸的伸縮速度，提高液壓控制系統(tǒng)對(duì)平地板傾角調(diào)節(jié)的準(zhǔn)確性。通過對(duì)液壓系統(tǒng)的調(diào)試，液壓缸的伸縮速度能達(dá)到平地板準(zhǔn)確控制的要求，未出現(xiàn)超調(diào)現(xiàn)象。

10、 三、基于傾角傳感器的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) ３．１控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)主要包括硬件部分和軟件部分。硬件部分由單片機(jī)、傾角模數(shù)轉(zhuǎn)換采集模塊、ＬＣＤ顯示模塊、降壓模塊等組成。軟件部分主要的功能是建立了控制器與傾角模數(shù)轉(zhuǎn)換采集模塊之間的Ｉ２Ｃ通信、傾角信號(hào)的采集和實(shí)時(shí)顯示、運(yùn)用控制算法對(duì)傾角信號(hào)的處理并完成電信號(hào)的輸出等?？刂葡到y(tǒng)能完成對(duì)信號(hào)的采集、處理和傳輸?shù)冗^程，同時(shí)與液壓控制系統(tǒng)中的電磁換向閥相匹配，實(shí)現(xiàn)平地板的控制、調(diào)平動(dòng)作。水平控制系統(tǒng)的電路原理框圖如圖５所示，整個(gè)控制電路系統(tǒng)由拖拉機(jī)的蓄電池提供１２Ｖ直流電，傳感器能檢測(cè)到平地板在水平位置的傾斜角度，

11、由單片機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)驗(yàn)算、處理后將傾角的數(shù)值在ＬＣＤ上顯示。在單片機(jī)控制器和繼電器之間采用光耦隔離，防止在光耦前端的單片機(jī)受后端電磁閥開啟和關(guān)閉時(shí)的信號(hào)干擾。在平地板傾角超過閥值Ｍ（Ｍ＝５）時(shí)，單片機(jī)便會(huì)輸出電信號(hào)控制電磁繼電器動(dòng)作，在電磁繼電器接通后，相對(duì)應(yīng)的電磁換向閥便會(huì)在１２Ｖ的電壓驅(qū)動(dòng)下工作。 ３．２傾角信號(hào)的處理算法 四、平地系統(tǒng)的試驗(yàn) ４．１　試驗(yàn)條件 ４．２　數(shù)據(jù)測(cè)試方法 ４．３　數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)方法 ４．４　數(shù)據(jù)處理和分析 五、討論 本試驗(yàn)根據(jù)水田硬底層不平、旋耕機(jī)

12、刀輥旋轉(zhuǎn)時(shí)機(jī)器振動(dòng)過大等因素造成旋耕機(jī)耕整作業(yè)后田面平整精度低的特點(diǎn)，基于傳感技術(shù)設(shè)計(jì)了一種與水田旋耕機(jī)配套的機(jī)電液一體化自動(dòng)控制的平地系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了在耕整過程中對(duì)平地板的自動(dòng)調(diào)節(jié)，使之始終處于水平位置。田間試驗(yàn)結(jié)果表明，水田旋耕機(jī)在試驗(yàn)后的平整度為３．３５ｃｍ，高差分布為６２．４％；基于傳感技術(shù)的水田旋耕機(jī)平地系統(tǒng)在水田耕整試驗(yàn)后的平整度為２．２０ｃｍ，高差分布為８１．８２％。水田旋耕機(jī)耕后田地不平整的主要原因是拖拉機(jī)在田間行進(jìn)時(shí)的傾斜、振動(dòng)，會(huì)帶動(dòng)旋耕機(jī)一起運(yùn)動(dòng)，而旋耕機(jī)的托板在田間作業(yè)時(shí)無法自動(dòng)調(diào)節(jié)，使得耕整完后的田面起伏大，又由于硬底層不平，耕后部分區(qū)域出現(xiàn)落差大的現(xiàn)象。而采用本試驗(yàn)研制

13、的基于傳感技術(shù)的水田旋耕機(jī)平地系統(tǒng)，在田間試驗(yàn)時(shí)，通過控制系統(tǒng)對(duì)平地裝置的傾斜狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)、控制及調(diào)節(jié)，保證了平地裝置的平穩(wěn)性，降低了水田硬底不平、機(jī)器振動(dòng)等因素的影響。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果分析可得，基于傳感技術(shù)的水田旋耕機(jī)平地系統(tǒng)的平地效果明顯優(yōu)于水田旋耕機(jī)，且平地精度能滿足水稻生產(chǎn)過程中的平地要求，能提高水稻機(jī)械化生產(chǎn)效率。與水田激光平地機(jī)相比，雖然平整精度沒有水田激光平地機(jī)高，但平整精度也能達(dá)到水稻種植的要求，并且基于傳感技術(shù)的水田旋耕機(jī)平地系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)在于能與旋耕機(jī)配套使用，減少對(duì)田地的耕整作業(yè)次數(shù)，造價(jià)便宜，配套設(shè)備少，操作方便簡(jiǎn)單，可以降低水稻機(jī)械化生產(chǎn)過程中的成本。這種基于傾角傳感器的控制

14、原理，調(diào)控平地裝置的方法，不僅可以用于水田旋耕機(jī)上，還可為其他水田耕整機(jī)械的設(shè)計(jì)提供參考，以此來提高水田耕整機(jī)械在耕整田地之后的平整精度。另外，本試驗(yàn)在平地系統(tǒng)傾角調(diào)節(jié)過程中設(shè)置了一個(gè)閥值Ｍ，閥值的大小對(duì)系統(tǒng)調(diào)節(jié)效果有一定影響，后續(xù)還會(huì)改變閥值Ｍ的大小，結(jié)合田間試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行進(jìn)一步分析改進(jìn)。 參考文獻(xiàn) ［1］周建來，李源知，焦巧鳳．國內(nèi)外旋耕機(jī)的技術(shù)狀況［Ｊ］．農(nóng)機(jī)化 ［2］李福祥，許迪，李益農(nóng)．農(nóng)田土地平整方法的組合應(yīng)用及效果［Ｊ］．農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，２０００，１６（２）：５０－５３． ［3］李益農(nóng)，許迪，李福祥．田面平整精度對(duì)畦灌性

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